量子体系中的对称往往伴随着能级的简并。在半导体纳米线中，其对称的横截面所引起的子能带简并在输运上体现为某个消失的量子化电导平台。之前的纳米线器件受限于杂质无法观测到这一现象。因为杂质可以破除简并以及抑制子能带电导的量子化。最近，物理系拓扑量子器件团队大幅提升了PbTe半导体纳米线质量，首次观测到由对称导致的可调的能级简并。该工作表明PbTe纳米线的杂质降低到一个新的水平，为实现马约拉纳零能模和拓扑量子计算奠定了基础。

图a为器件电镜图。两个侧栅（V_L和V_R）的线性组合可实现对纳米线中电化学势和电场的单独调控。在电场（V_E）为0时，第二和第三子能带的简并（E₂=E₃）导致其被同时占据。电导随着电化学势（V_P=1/2(V_L+V_R)）变化呈现出0，1，3平台（单位为2e²/h）。2平台的缺失表明E₂和E₃之间的简并。当在线中施加电场破坏掉其势能对称性后，简并随之被破除并伴随着2平台的出现。图b展示了这一过程的示意图，图c为实验数据（不同颜色所对应的平台电导值已被标出）。图d展示了在简并情况下器件电导随偏压以及电化学势变化的二维图，1和3平台表现为两个菱形，2平台缺失。图e和f展示了在非简并情况下2平台的出现（白色的菱形）及其增长。

该工作以 “Gate-tunable subband degeneracy in semiconductor nanowires”为题发表在美国科学院院刊 PNAS上。第一作者为物理系的研究生王禹灏、宋文玉，以及北京量子信息科学研究院副研究员曹霑。通讯作者为物理系的何珂教授和张浩副教授。合作老师还包括物理系刘东副教授，冯硝副教授和薛其坤教授，以及北京量子院的尚汝南副研究员。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、金沙总站6165地址自主科研计划、金沙总站6165地址低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、北京市科委、合肥国家实验室以及科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目的资助。

文章链接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406884121